基于蒙特卡羅方法的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估.pdf

1、隨著電力系統(tǒng)向超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量和區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展，大量新技術(shù)新設(shè)備的應(yīng)用以及電力市場機(jī)制的逐步確立，停電事故往往會(huì)造成經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的巨大損失，引發(fā)的后果越來越嚴(yán)重。準(zhǔn)確、快速、全面的可靠性評(píng)估計(jì)算對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和電能交易等多個(gè)方面都具有十分重要的意義。 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法可分為確定性方法和概率性方法兩類。確定性方法難以考慮元件運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷水平等因素的隨機(jī)特性，因此評(píng)估結(jié)果存在較大偏差。概率性方法能夠克服確

2、定性方法的上述缺陷，計(jì)算精度較高，在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估領(lǐng)域獲得了更為廣泛的應(yīng)用。概率性評(píng)估方法又分為解析法和蒙特卡羅法兩類，二者的根本區(qū)別在于獲取系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)及其概率分布的方法不同。解析法采用故障枚舉的方式來獲得系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)，通過解析計(jì)算獲得系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)的概率分布；蒙特卡羅法采用隨機(jī)抽樣的方式獲得系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)，通過樣本統(tǒng)計(jì)以隨機(jī)狀態(tài)的發(fā)生頻率來估算其概率。解析法具有物理概念清晰、數(shù)學(xué)模型精確的優(yōu)點(diǎn)，但該方法所分析計(jì)算的系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)數(shù)目隨

3、著元件數(shù)目的增長呈指數(shù)規(guī)律增長，因此在大規(guī)模電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中會(huì)產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)”；其次，采用解析法難以獲得頻率和持續(xù)時(shí)間指標(biāo)，而該類指標(biāo)是非常重要的可靠性信息；最后，解析法難以對(duì)電力系統(tǒng)中諸如負(fù)荷波動(dòng)、水庫水位變化等隨機(jī)因素進(jìn)行仿真，也不易模擬運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)的控制措施，因此影響到了計(jì)算結(jié)果的可信度。與解析法相比，在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的蒙特卡羅方法更加富有成效。第一，在特定的精度要求下，蒙特卡羅方法的抽樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關(guān)，因此特別適

4、合應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估計(jì)算。第二，采用蒙特卡羅方法不僅能夠得到概率性指標(biāo)，而且能夠得到頻率和持續(xù)時(shí)間指標(biāo)，獲得的可靠性信息更加豐富、實(shí)用。第三，基于蒙特卡羅方法的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估程序數(shù)學(xué)模型相對(duì)簡單，且容易模擬負(fù)荷變化等隨機(jī)因素和系統(tǒng)的校正控制措施，因此計(jì)算結(jié)果更加符合工程實(shí)際。電力系統(tǒng)規(guī)模日趨擴(kuò)大、元件眾多、控制策略復(fù)雜，蒙特卡羅方法在大型電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估中得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而，蒙特卡羅方法存在著計(jì)算精度和計(jì)算速

5、度的矛盾，即要獲得較高精度的可靠性指標(biāo)需要進(jìn)行大量的抽樣計(jì)算，這就大大限制了可靠性評(píng)估的收斂速度。因此，研究蒙特卡羅方法的收斂特性，對(duì)其進(jìn)行以提高計(jì)算效率為目的算法改進(jìn)是一項(xiàng)意義重大的工作。本文介紹了序貫仿真、非序貫仿真和偽序貫仿真等三種基本的蒙特卡羅概率仿真算法的原理和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上論述了基于蒙特卡羅方法的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估算法的基本原理、基本步驟和主要指標(biāo)。以測試系統(tǒng)RBTS和IEEE-RTS的可靠性評(píng)估作為算例，對(duì)蒙特卡羅方法的

6、收斂特性進(jìn)行了分析。研究表明，常規(guī)蒙特卡羅方法收斂速度緩慢，特別是在抽樣次數(shù)增大時(shí)抽樣效率會(huì)大幅度降低。減小試驗(yàn)函數(shù)的方差是提高抽樣效率、加快收斂速度的有效方法，論文進(jìn)行了以減小試驗(yàn)函數(shù)方差為目的的改進(jìn)抽樣方法的研究，并取得了以下理論成果。在全面分析現(xiàn)有改進(jìn)抽樣算法的基礎(chǔ)上，將常規(guī)重要抽樣法和等分散抽樣法的原理有機(jī)結(jié)合提出了改進(jìn)的重要算法。該算法利用常規(guī)的重要抽樣法優(yōu)化系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)的概率分布以實(shí)現(xiàn)“重要抽樣”，同時(shí)運(yùn)用等分散抽樣法在多個(gè)

7、子區(qū)間上判斷系統(tǒng)的隨機(jī)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了提高隨機(jī)數(shù)的利用效率、減小試驗(yàn)函數(shù)方差的目的。該算法能夠在常規(guī)重要抽樣和等分散抽樣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加快計(jì)算速度，適用于大型發(fā)電系統(tǒng)的充裕度評(píng)估計(jì)算。為解決改進(jìn)的抽樣算法存在的適應(yīng)性較差、計(jì)算效率有待進(jìn)一步提高的問題，本文提出了最優(yōu)抽樣算法。該算法將抽樣計(jì)算過程分成預(yù)抽樣和正式抽樣兩個(gè)階段，在預(yù)抽樣階段基于電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的積分模型，依據(jù)電力系統(tǒng)元件狀態(tài)變量取值的特點(diǎn)，通過變分運(yùn)算得到了各維狀態(tài)變量的

8、最優(yōu)抽樣密度函數(shù)；在正式抽樣階段，根據(jù)最優(yōu)抽樣密度函數(shù)獲得系統(tǒng)的隨機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)抽樣。對(duì)測試系統(tǒng)的算例分析表明，最優(yōu)抽樣算法顯著地降低了試驗(yàn)函數(shù)的方差，且易于對(duì)機(jī)組、線路、變壓器等電力元件進(jìn)行概率仿真，適合發(fā)電、輸電、發(fā)輸電組合等多個(gè)層次的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估計(jì)算，具有很好的適應(yīng)性、實(shí)用性和魯棒性。混合法在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中得到了大量應(yīng)用，該算法將系統(tǒng)元件的狀態(tài)變量劃分成模擬變量和解析變量兩部分，分別采用狀態(tài)抽樣和故障枚舉的方法進(jìn)行處

9、理。針對(duì)常規(guī)混合法對(duì)解析變量的選擇缺乏理論支持、解析效率不高的問題，本文提出了選擇性解析算法。該算法定義了狀態(tài)變量投影方差的概念，用來描述狀態(tài)變量的隨機(jī)性對(duì)試驗(yàn)函數(shù)方差的貢獻(xiàn)，并根據(jù)投影方差的大小確定對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行解析處理的優(yōu)先級(jí)順序，以獲得最佳的解析方案。對(duì)測試系統(tǒng)的算例分析表明該算法能夠顯著地提高解析計(jì)算的效率，加快混合法的計(jì)算速度。本文將選擇性解析和最優(yōu)抽樣相結(jié)合，形成了改進(jìn)的混合算法。 本算法的計(jì)算過程也由預(yù)抽樣和正式抽

10、樣兩個(gè)階段組成，在預(yù)抽樣階段獲得各維狀態(tài)變量的最優(yōu)抽樣密度函數(shù)以及在該抽樣密度函數(shù)下的投影方差(以此確定解析變量)；在正式抽樣階段，對(duì)解析變量進(jìn)行狀態(tài)枚舉，對(duì)模擬變量按照最優(yōu)抽樣密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)高效的抽樣計(jì)算。改進(jìn)的混合算法取得了理想的計(jì)算效果，大大緩解了電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中計(jì)算速度與計(jì)算精度的矛盾，為電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估軟件的實(shí)用化和在線應(yīng)用提供了可能。對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)狀態(tài)的優(yōu)化計(jì)算是電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的核心步驟，國內(nèi)外學(xué)者為建立滿足可靠性評(píng)估需

11、要的優(yōu)化模型進(jìn)行了大量研究工作，使得這一領(lǐng)域在理論和實(shí)踐上有了很大發(fā)展。在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中，發(fā)輸電組合系統(tǒng)的評(píng)估計(jì)算所涉及到的優(yōu)化問題最為復(fù)雜也最具代表性，因此本文對(duì)發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的系統(tǒng)優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。長期以來，發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的優(yōu)化計(jì)算主要通過有功潮流再調(diào)度的措施來滿足機(jī)組有功容量與線路有功容量的約束并減小故障狀態(tài)下的負(fù)荷切除，而對(duì)無功備用、無功潮流與節(jié)點(diǎn)電壓等因素的約束考慮不夠充分，這就導(dǎo)致得到的可靠性

12、指標(biāo)過于樂觀。有些文獻(xiàn)盡管將上述因素的約束作用包含到了組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估的優(yōu)化模型中，但沒有定量分析其對(duì)可靠性指標(biāo)的影響，也沒有將節(jié)點(diǎn)期望電壓等反映電能質(zhì)量與安全性的指標(biāo)納入到可靠性評(píng)估的框架中。本文研究了發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的優(yōu)化模型及其求解算法，考慮到節(jié)點(diǎn)電壓和無功潮流的強(qiáng)相關(guān)性，將二者的約束作用統(tǒng)一在無功充裕度的框架之下，建立了計(jì)及無功充裕度約束的發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型，提出了相關(guān)的可靠性指標(biāo)，并編制了實(shí)用的可靠性評(píng)估

13、程序。算例分析進(jìn)一步證明，無功充裕度對(duì)發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性水平具有顯著影響，在可靠性評(píng)估和規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)全面計(jì)及無功充裕度約束，否則在計(jì)算中可能產(chǎn)生難以接受的誤差。 尋求不同運(yùn)行狀態(tài)下提高可靠性水平的最優(yōu)措施對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行具有重要意義。鑒于無功充裕度對(duì)電力系統(tǒng)可靠性水平的顯著影響，本文提出了一種計(jì)及無功充裕度約束的電力系統(tǒng)可靠性規(guī)劃方法。該方法能夠在準(zhǔn)確判斷約束系統(tǒng)可靠性水平“瓶頸”因素的基礎(chǔ)上，為運(yùn)行和規(guī)劃人員提供改善可靠